KR102046061B1 - 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법이 개시된다. 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법은 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성하는 단계; 상기 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링하는 단계; 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하는 단계; 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 단계; 및 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING TARGET USING RADAR}
본 발명은 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이더를 이용하는 센서 분야에서 거리 분해능을 개선하여 타겟을 탐지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
다양한 센서들 가운데, 레이더 센서는 안개나 우천과 같은 기후의 영향에 강인하며 원거리 타겟의 탐지가 가능한 장점을 갖는다. 특히, FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 펄스 레이더에 비해 적은 비용 및 낮은 복잡도의 장점을 갖는다. 특히, FMCW 레이더는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)와 같은 선형연산을 이용하여 비트신호(beat signal)의 주파수를 탐지함으로써, 다중 타겟들에 대한 거리 및 속도 정보 등을 탐지할 수 있다.
하지만, 다수의 타겟이 인접해 있는 경우, FFT를 이용한 방식으로는 미세한 범위 내의 타겟을 탐지하고 구분해 내는 데 한계가 존재하며, 이를 구분 해내기 위해서는 물리적으로 넓은 대역폭이 요구된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique) 또는 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 등과 같은 초고해상도 알고리즘이 제안되었다.
초고해상도 알고리즘 방식은 수신신호를 기반으로 생성한 상관행렬 (correlation matrix)을 고유치분해(Eigen Value Decomposition, EVD) 또는 특이값분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 신호와 잡음의 부공간(subspace)을 구분하고, 구분된 신호의 부공간과 잡음의 부공간이 서로 직교한 성질을 이용함으로써 신호 성분에 대한 파라미터를 매우 첨예하게 검출할 수 있다. 하지만, 이와 같은 초고해상도 알고리즘은 FFT 방식에 비해 복잡도가 현저히 높아, 고사양의 하드웨어가 요구되며 임베디드 시스템으로 구현하는 데 어려운 단점을 갖는다.
본 발명은 수신 비트 신호의 전체 샘플이 아닌 FFT에 의해 일차적으로 추정된 타겟의 거리 정보를 기반으로 샘플의 개수를 능동적으로 조절함으로써 주파수 검출 알고리즘의 복잡도를 감소시키는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법은 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성하는 단계; 상기 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링하는 단계; 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하는 단계; 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 단계; 및 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초기 샘플링 간격은 상기 탐색 영역에 대한 최대탐지거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되고, 상기 최종 샘플링 간격은 상기 최대탐지거리 내에 존재하는 것으로 추정된 타겟까지의 거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 추정하는 단계는 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 변환을 수행하고, 주파수 변환이 수행된 상기 샘플링된 수신 비트 신호에 피크 검출(peak detection)을 수행함으로써 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정할 수 있다.
상기 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 단계는 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 최대탐지거리 내에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 샘플 수를 계산하고, 상기 계산된 샘플 수에 기초하여 결정된 상기 최종 샘플링 간격을 이용하여 상기 수신 비트 신호를 샘플링할 수 있다.
상기 탐지하는 단계는 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 알고리즘을 적용하여 상기 타겟의 추정 지연 시간을 획득하고, 상기 획득된 타겟의 추정 지연 시간을 이용함으로써 상기 타겟의 최종 거리 정보를 결정할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 상기 수신 레이더 신호와 상기 수신 레이더 신호에 대응하는 송신 레이더 신호의 공액 복소 신호를 이용하여 상기 수신 비트 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치는 탐색 영역을 향해 송수신된 송신 레이더 신호 및 수신 레이더 신호를 이용하여 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성하고, 상기 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링하며, 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하고, 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하며, 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지할 수 있다.
상기 초기 샘플링 간격은 상기 탐색 영역에 대한 최대탐지거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되고, 상기 최종 샘플링 간격은 상기 최대탐지거리 내에 존재하는 것으로 추정된 타겟까지의 거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 프로세서는 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 변환을 수행하고, 주파수 변환이 수행된 상기 샘플링된 수신 비트 신호에 피크 검출(peak detection)을 수행함으로써 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 최대탐지거리 내에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 샘플 수를 계산하고, 상기 계산된 샘플 수에 기초하여 결정된 상기 최종 샘플링 간격을 이용하여 상기 수신 비트 신호를 샘플링할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 알고리즘을 적용하여 상기 타겟의 추정 지연 시간을 획득하고, 상기 획득된 타겟의 추정 지연 시간을 이용함으로써 상기 타겟의 최종 거리 정보를 결정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 수신 레이더 신호와 상기 수신 레이더 신호에 대응하는 송신 레이더 신호의 공액 복소 신호를 이용하여 상기 수신 비트 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 수신 비트 신호의 전체 샘플이 아닌 FFT에 의해 일차적으로 추정된 타겟의 거리 정보를 기반으로 샘플의 개수를 능동적으로 조절함으로써 주파수 검출 알고리즘의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FMCW 레이더의 시스템 모델을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저복잡도 MUSIC 알고리즘을 이용한 타겟 탐지 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기존의 수신 신호와 본 발명의 타겟 탐지 방법에 따른 수신 신호의 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기존의 MUSIC 알고리즘과 본 발명에 따른 MUSIC 알고리즘의 거리 추정 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 파라미터
Figure 112018032546665-pat00001
및 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)에 따른 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)의 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 파라미터
Figure 112018032546665-pat00002
및 샘플링 수에 따른 계산량 비교 결과를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FMCW 레이더의 시스템 모델을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, FMCW 레이더의 송신신호
Figure 112018032546665-pat00003
는 다음의 식 1과 같이 표현될 수 있다.
<식 1>
Figure 112018032546665-pat00004
여기서
Figure 112018032546665-pat00005
는 단위 구형파 신호이고,
Figure 112018032546665-pat00006
는 T 구간 동안 전송되는 하나의 FMCW 첩 신호이며, 한 프레임 동안
Figure 112018032546665-pat00007
는 총 L회 전송될 수 있다. 이때, 첩 신호
Figure 112018032546665-pat00008
는 다음의 식 2와 같이 표현될 수 있다.
<식 2>
Figure 112018032546665-pat00009
여기서
Figure 112018032546665-pat00010
는 중심 주파수이고,
Figure 112018032546665-pat00011
는 첩 신호의 순간변화율이다.
FMCW 레이더를 통해 출력된 송신신호는 M개의 타겟에 반사된 후 수신 안테나를 통해 수신될 수 있다. 이때
Figure 112018032546665-pat00012
번째 첩 신호에 의해 수신된 수신신호
Figure 112018032546665-pat00013
는 다음의 식 3과 같이 표현될 수 있다.
<식 3>
Figure 112018032546665-pat00014
여기서,
Figure 112018032546665-pat00015
은 송신신호
Figure 112018032546665-pat00016
가 m번째 타겟에 반사된 후 수신된 복소 진폭(amplitude) 성분이고,
Figure 112018032546665-pat00017
은 송신신호가 m번째 타겟에 반사된 후 수신되기까지 지연된 시간이다. 또한,
Figure 112018032546665-pat00018
은 m번째 타겟의 이동에 의해 발생한 도플러 주파수이고,
Figure 112018032546665-pat00019
은 복소가산성백색가우시안 잡음 성분이다. FMCW 레이더는 수신신호
Figure 112018032546665-pat00020
에 송신신호
Figure 112018032546665-pat00021
의 복소공액신호
Figure 112018032546665-pat00022
를 곱함으로써, 비트신호
Figure 112018032546665-pat00023
를 다음의 식 4과 같이 획득할 수 있다.
<식 4>
Figure 112018032546665-pat00024
FMCW 레이더는 비트신호
Figure 112018032546665-pat00025
를 ADC(analogue to digital conversion)하기 위해 샘플링주기
Figure 112018032546665-pat00026
로 샘플링함으로써 이산 비트신호
Figure 112018032546665-pat00027
을 획득할 수 있다. 여기서, n의 구간은
Figure 112018032546665-pat00028
이고,
Figure 112018032546665-pat00029
이다. 상기의 식 4로부터, 비트신호
Figure 112018032546665-pat00030
는
Figure 112018032546665-pat00031
의 주파수를 갖는 복소정현파 신호임을 알 수 있다. 이때, FMCW 레이더는 이와 같은 복수정현파의 주파수를 추정함으로써, 지연시간
Figure 112018032546665-pat00032
을 추정할 수 있고, 추정된 지연시간
Figure 112018032546665-pat00033
을 이용하여 타겟의 거리를 추정할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 MUSIC 알고리즘은 신호의 주파수를 추정하는 대표적 초고해상도 알고리즘이다. MUSIC 알고리즘은 신호의 부공간과 잡음의 부공간이 서로 직교하는 특성을 이용하는 데 이와 같은 신호의 부공간과 잡음의 부공간은 고유치분해 또는 특이값분해를 통해 획득할 수 있다. 구체적으로 비트신호
Figure 112018032546665-pat00034
를 샘플링주기
Figure 112018032546665-pat00035
로 샘플링함으로써 총
Figure 112018032546665-pat00036
개의 샘플로 구성된 이산 비트신호를 벡터형태로 나타내면 다음의 식 5와 같다.
<식 5>
Figure 112018032546665-pat00037
여기서
Figure 112018032546665-pat00038
는 진폭 성분이고,
Figure 112018032546665-pat00039
는 조향(steering) 벡터
Figure 112018032546665-pat00040
으로 구성된 행렬로써 다음의 식 6과 같은 형태를 가진다.
<식 6>
Figure 112018032546665-pat00041
여기서 조향 벡터
Figure 112018032546665-pat00042
이다. 신호의 부공간과 잡음의 부공간을 획득하기 위한 공분산(co-variance) 행렬
Figure 112018032546665-pat00043
은 다음의 식 7과 같이 계산된다.
<식 7>
Figure 112018032546665-pat00044
여기서
Figure 112018032546665-pat00045
은 기댓값(expectation) 연산자이고,
Figure 112018032546665-pat00046
는 잡음이 포함되지 않은 신호의 공분산 행렬이다. FMCW 레이더는 잡음의 부분공간
Figure 112018032546665-pat00047
을 얻기 위해
Figure 112018032546665-pat00048
을 고유값분해 또는 특이값분해를 사용할 수 있다. 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 신호의 부공간과 잡음의 부공간이 서로 직교성을 가지고, 그 관계식을 다음의 식8과 같이 표현할 수 있다.
<식 8>
Figure 112018032546665-pat00049
여기서, 식 8을 만족하는
Figure 112018032546665-pat00050
을 찾기 위해, 아래와 같이 PSD (Power Spectral Density)
Figure 112018032546665-pat00051
을 다음의 식 9와 같이 계산할 수 있다.
<식 9>
Figure 112018032546665-pat00052
상기의 식 9에서
Figure 112018032546665-pat00053
이 식 8을 만족할 경우,
Figure 112018032546665-pat00054
은 첨두치를 가지게 됨을 알 수 있다. FMCW 레이더는 이와 같이 획득된 첨두치로부터 신호의 주파수 성분을 추정함으로써 최종적인 타겟의 거리정보를 추정할 수 있다.
이상의 내용은 FMCW 레이더를 이용하여 타겟을 탐지할 때, MUSIC 알고리즘을 이용함으로써 FFT 기반 방식에서는 구분하지 못하는 인접한 다수의 타겟을 구분하는 방법이 개시된다. 그러나 이와 같은 MUSIC 알고리즘은 FFT 기반 방식에 비해 복잡도가 높아 고사양의 하드웨어를 요구하며 임베디드 시스템으로 구현하는데 어려운 단점이 존재한다.
따라서, 본 발명에서는 미세한 범위의 탐지가 가능하면서 복잡도가 낮은 저복잡도 MUSIC 알고리즘을 통해 타겟을 탐지하는 방법을 제공한다. 보다 구체적인 타겟 탐지 방법은 다음의 도 2를 통해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저복잡도 MUSIC 알고리즘을 이용한 타겟 탐지 방법을 도시한 도면이다.
단계(210)에서, 타겟 탐지 장치는 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로 타겟 탐지 장치는 수신 레이더 신호에 송신 레이더 신호의 복소공액 신호를 곱함으로써 수신 비트 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 수신 비트 신호의 주파수는 FMCW 레이더로부터 타겟까지의 거리 정보가 포함되어 있다.
단계(220)에서, 타겟 탐지 장치는 생성된 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링할 수 있다. 이때, 초기 샘플링 간격은 일반적으로 FMCW 레이더의 최대탐지거리에 의해 결정될 수 있다. 즉, 최대탐지거리에 해당하는 비트 주파수가
Figure 112018032546665-pat00055
라 할 때,
Figure 112018032546665-pat00056
는 하기의 식 10과 같이 계산될 수 있다.
<식 10>
Figure 112018032546665-pat00057
여기서 B는 대역폭이며,
Figure 112018032546665-pat00058
는 최대탐지거리이며, c는 광속을 나타낸다. 시스템 설계시, 샘플링 주파수
Figure 112018032546665-pat00059
는
Figure 112018032546665-pat00060
의 2배로 설정하므로, 초기 샘플링 주파수
Figure 112018032546665-pat00061
가 된다.
일례로, 본 발명에서 제공하는 FMCW 레이더가 FOD(Foreign Object Debris) 레이더인 경우, FOD 레이더의 특성상 탐지해야 할 거리가 매우 멀기 때문에, 거리에 비례하는
Figure 112018032546665-pat00062
의 특성으로 인해 높은
Figure 112018032546665-pat00063
조건이 요구된다. 이로 인해 샘플링 주파수
Figure 112018032546665-pat00064
가 증가하게 되어, 즉, 초기 샘플링 간격이 좁아 타겟을 탐지하기 위한 전체 샘플의 개수 또한 증가하게 된다.
최대탐지거리에 의해 결정된
Figure 112018032546665-pat00065
는 타겟의 위치나 존재와 상관없이 고정되어 있으므로 효율성이 떨어진다. 샘플 수의 증가에 따른 연산복잡도의 증가량을 관찰해 볼 때, MUSIC 알고리즘의 경우 FFT 기반 알고리즘에 비해 확연히 높은 연산복잡도를 가진다. 따라서, 이와 같은 최대탐지거리에 의해 결정된
Figure 112018032546665-pat00066
를 통해 도출된 초기 샘플링 간격에 따라 수신 비트 신호를 샘플링하고, 샘플링 결과를 그대로 통상적인 MUSIC 알고리즘에 적용하는 것은 매우 높은 연산복잡도가 요구되어 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 타겟 탐지 장치는 수신 비트 신호의 전체 샘플을 사용하는 대신 일차적으로 추정된 타겟의 거리 정보를 기반으로 실제 타겟 탐지를 위해 사용되는 샘플의 개수를 능동적으로 조절함으로써 연산복잡도를 감소시키는 방법을 제공한다.
이를 위해 단계(230)에서, 타겟 탐지 장치는 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 일차적인 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정할 수 있다. 구체적으로 타겟 탐지 장치는 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 변환을 수행할 수 있다. 이때, 타겟 탐지 장치는 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행할 수 있다.
이후 타겟 탐지 장치는 주파수 변환이 수행된 상기 샘플링된 수신 비트 신호에 피크 검출(peak detection)을 수행함으로써 일차적인 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정할 수 있다. 이때, 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수는 FMCW 레이더의 최대탐지거리 내에 존재하는 것으로 추정된 타겟까지의 대략적인 거리 정보를 포함할 수 있다.
단계(240)에서, 타겟 탐지 장치는 추정된 일차적인 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 수신 비트 신호를 샘플링할 수 있다. 다시 말해, 일차적으로 획득한 수신 비트 신호의 비트 주파수가
Figure 112018032546665-pat00067
이라 할 때, 수신 비트 신호의 주기
Figure 112018032546665-pat00068
는
Figure 112018032546665-pat00069
의 역수이므로, 본 발명의 타겟 탐지 장치가 사용할 샘플수
Figure 112018032546665-pat00070
는 다음의 식 11과 같이 계산될 수 있다.
<식 11>
Figure 112018032546665-pat00071
본 발명의 타겟 탐지 장치는 전체
Figure 112018032546665-pat00072
개의 샘플 중
Figure 112018032546665-pat00073
개를 선택하기 위해,
Figure 112018032546665-pat00074
의 최종 샘플링 간격으로 수신 비트 신호를 샘플링할 수 있다. 이때, 최종 샘플링 간격
Figure 112018032546665-pat00075
는 다음의 식 12와 같이 계산될 수 있다.
<식 12>
Figure 112018032546665-pat00076
여기서
Figure 112018032546665-pat00077
은 가장 가까운 정수로 올림하는 연산자이고, 변수
Figure 112018032546665-pat00078
는 미리 결정한 상수 값으로 복잡도와 성능의 트레이드-오프 관계를 갖는다. 결론적으로, 본 발명의 타겟 탐지 장치를 통해 최종 샘플링된 수신 비트 신호
Figure 112018032546665-pat00079
은 다음의 식 13과 같이 나타낼 수 있다.
<식 13>
Figure 112018032546665-pat00080
단계(250)에서, 타겟 탐지 장치는 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지할 수 있다. 구체적으로 타겟 탐지 장치는 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 알고리즘을 적용하여 타겟의 추정 지연 시간을 획득하고, 획득된 타겟의 추정 지연 시간을 이용함으로써 타겟의 최종 거리 정보를 결정할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 타겟 탐지 장치는 FMCW 레이더를 위한 낮은 연산복잡도를 갖는 MUSIC 알고리즘을 제공한다. 본 발명의 타겟 탐지 장치는 두 단계의 탐지 방식을 적용하는데 우선, 수신 비트 신호에 대해 FFT 방식을 이용하여 타겟의 대략적인 거리 정보를 추정할 수 있다. 이후 타겟 탐지 장치는 추정된 거리 정보에 따라 능동적으로 감소시킨 샘플 수를 기반으로 초고해상도 알고리즘인 MUSIC 알고리즘을 적용함으로써 기존의 MUSIC 알고리즘과 거의 동일한 탐지 성능을 가지면서도 훨씬 낮은 연산복잡도를 통해 타겟을 탐지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기존의 수신 신호와 본 발명의 타겟 탐지 방법에 따른 수신 신호의 파형을 도시한 도면이다.
다음은 본 발명의 효과를 확인하기 위한 모의전산실험의 결과를 기술한다. 하기의 표 1은 모의전산실험을 수행하기 위해 사용한 파라미터들이다.
Figure 112018032546665-pat00081
도 3을 참고하면, 2개의 타겟이 인접한 거리 즉, 37m와 38m에 존재하는 경우 샘플링된 전체 수신 비트 신호와 식 13에 의해 샘플링 개수가 감소된 수신 비트 신호의 파형을 보인다. 도 3에서 알 수 있듯이 본 발명의 타겟 탐지 방식은 수신 비트 신호의 전체 샘플들 가운데, 15 샘플 간격으로 신호를 선택한다. 즉, 본 발명의 타겟 탐지 방식에서 MUSIC 알고리즘의 입력으로 사용되는 신호의 샘플 수는 기존 방식에 비해 약 15배 감소된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기존의 MUSIC 알고리즘과 본 발명에 따른 MUSIC 알고리즘의 거리 추정 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 조건에서, 수신 비트 신호의 전체 샘플에 대해 FFT와 MUSIC 알고리즘을 수행하여 거리를 추정한 결과와 본 발명의 타겟 탐지 방식에 의해 샘플 개수가 감소된 수신 비트 신호에 대해 MUSIC 알고리즘을 수행하여 얻은 결과를 보인다. FFT에 의해 추정된 결과는 2개의 타겟이 존재함에도 불구하고 하나의 타겟이 존재하는 것처럼 거리결과를 추정함을 알 수 있다. 반면에, 2가지의 MUSIC 알고리즘은 FFT와 달리 인접한 2개의 타겟을 분명히 구분해 내는 것을 알 수 있다. 특히 본 발명의 타겟 탐지 방식의 경우, 샘플 개수가 감소된 수신 비트 신호를 이용하였음에도 불구하고, 기존 MUSIC 알고리즘과 거의 동일한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 파라미터 K 및 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)에 따른 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Error, RMSE)의 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 도 2와 동일한 조건일 때, 본 발명의 타겟 방지 방식과 기존 MUSIC 알고리즘의 성능을 비교하고, 파라미터
Figure 112018032546665-pat00082
에 따른 성능을 분석하기 위해, 파라미터
Figure 112018032546665-pat00083
및 SNR에 따른 RMSE(root mean square error) 결과를 보인다. RMSE 평가를 위해 총 104의 실험을 수행하였다. 기존의 MUSIC 알고리즘의 경우 파라미터 K와 무관하므로 파라미터
Figure 112018032546665-pat00084
의 변화에 따른 RMSE의 변화가 없다. 본 발명의 타겟 탐지 방식의 경우 파라미터
Figure 112018032546665-pat00085
의 값이 증가할수록 MUSIC에 사용되는 샘플 개수가 적어지므로, 기존 MUSIC 알고리즘에 비해 성능이 저하됨을 알 수 있다. 하지만, K=2.1인 경우 기존의 MUSIC 알고리즘과 거의 유사한 성능을 가짐을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 파라미터 K 및 샘플링 수에 따른 계산량 비교 결과를 도시한 도면이다.
본 발명의 타겟 탐지 방식에 대해 파라미터 K에 따른 복잡도를 평가하고, 기존의 방식과의 복잡도를 비교하기 위해, 도 6에서 파라미터 K 및 샘플링 개수에 따른 복잡도를 비교하였다. 복잡도를 비교하기 위해 하기의 표 2를 참조하여 MUSIC 알고리즘에 대표적으로 사용되는 주요 연산들에 요구되는 곱셈량을 비교하였다. 본 발명의 타겟 탐지 방식의 경우, 비트 주파수를 측정하기 위해 FFT가 추가적으로 사용되었으므로, 이에 의해 사용된 곱셈량
Figure 112018032546665-pat00086
을 추가적으로 반영하였다. 도 6에서, 파라미터 K가 증가할수록 샘플수가 감소하므로 복잡도가 감소함을 알 수 있다. 한편, 기존의 방식과 유사한 성능을 가지는 K=2.1인 경우의 복잡도를 비교하면, 본 발명의 타겟 탐지 방식이 기존의 방식에 비해 약 103배 이상 낮은 복잡도를 가짐을 알 수 있다.
Figure 112018032546665-pat00087
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성하는 단계;
    상기 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링하는 단계;
    상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하는 단계;
    상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 단계; 및
    상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 단계
    를 포함하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기 샘플링 간격은,
    상기 탐색 영역에 대한 최대탐지거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되고,
    상기 최종 샘플링 간격은,
    상기 최대탐지거리 내에 존재하는 것으로 추정된 타겟까지의 거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는,
    상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 변환을 수행하고, 주파수 변환이 수행된 상기 샘플링된 수신 비트 신호에 피크 검출(peak detection)을 수행함으로써 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 단계는,
    상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 최대탐지거리 내에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 샘플 수를 계산하고, 상기 계산된 샘플 수에 기초하여 결정된 상기 최종 샘플링 간격을 이용하여 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탐지하는 단계는,
    상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 알고리즘을 적용하여 상기 타겟의 추정 지연 시간을 획득하고, 상기 획득된 타겟의 추정 지연 시간을 이용함으로써 상기 타겟의 최종 거리 정보를 결정하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 수신 레이더 신호와 상기 수신 레이더 신호에 대응하는 송신 레이더 신호의 공액 복소 신호를 이용하여 상기 수신 비트 신호를 생성하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
  8. 탐색 영역을 향해 송수신된 송신 레이더 신호 및 수신 레이더 신호를 이용하여 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 탐색 영역을 향해 출력된 송신 레이더 신호와 상기 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 이용하여 수신 비트 신호를 생성하고, 상기 수신 비트 신호를 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링하며, 상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 기초하여 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하고, 상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 상기 초기 샘플링 간격 보다 넓은 최종 샘플링 간격을 결정하고, 결정된 최종 샘플링 간격에 따라 상기 수신 비트 신호를 샘플링하며, 상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 검출 알고리즘을 적용함으로써 상기 탐색 영역 내에 존재하는 타겟을 탐지하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초기 샘플링 간격은,
    상기 탐색 영역에 대한 최대탐지거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되고,
    상기 최종 샘플링 간격은,
    상기 최대탐지거리 내에 존재하는 것으로 추정된 타겟까지의 거리에 대응하는 비트 주파수에 기초하여 결정되는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 초기 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 주파수 변환을 수행하고, 주파수 변환이 수행된 상기 샘플링된 수신 비트 신호에 피크 검출(peak detection)을 수행함으로써 상기 수신 비트 신호의 비트 주파수를 추정하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 추정된 수신 비트 신호의 비트 주파수를 이용하여 최대탐지거리 내에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 샘플 수를 계산하고, 상기 계산된 샘플 수에 기초하여 결정된 상기 최종 샘플링 간격을 이용하여 상기 수신 비트 신호를 샘플링하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 최종 샘플링 간격에 따라 샘플링된 수신 비트 신호에 MUSIC(MUltiple SIgnal Classifier) 알고리즘을 적용하여 상기 타겟의 추정 지연 시간을 획득하고, 상기 획득된 타겟의 추정 지연 시간을 이용함으로써 상기 타겟의 최종 거리 정보를 결정하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 수신 레이더 신호와 상기 수신 레이더 신호에 대응하는 송신 레이더 신호의 공액 복소 신호를 이용하여 상기 수신 비트 신호를 생성하는 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치.
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